[发明专利]共参比电极温控式CO2-SOx 集成气体传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体电解质CO₂、SOx气体传感器及其制备方法，其特点是采用公共参比电极将CO₂、SOx气体传感器进行集成（其中SOx为SO₂或SO₃），并集成梯度温度控制装置使各个电极工作在最佳温度。

背景技术

固体电解质在特定温度环境具有良好的离子导电特性，因此被广泛应用于气体传感器领域，自1834年Faraday首次发现PbF₂的电导率随温度变化的规律以来，国内外许多研究小组已开始致力于这方面的研究，固体电解质气体传感器已成为重要的发展方向之一。在众多固体电解质中，Li₃PO₄以其在中高温下具有较高的离子传导特性及抗湿度等优良特性，已被国内外研究者所关注。目前CO₂、SO₂常规固体电解质气体传感器已取得一定发展，市场上已有通过传统方式制备的CO₂、SO₂传感器产品，这些传感器通常采用传统的加工工艺。如采用高强度冲压高温烧结得到的NASICON、YSZ等作为固体电解质，在固体电解质层附加反应电极和参比电极，即可得到对特定气体敏感的传感器。但这种传感器的材料制备较为复杂，电解质层厚度在毫米级，通常通过粘接加热器的方式进行加热，这使得气体传感器的体积大，功耗大，而且响应特性也较缓慢。文献“Fabrication of the Planar-Type CO₂ Gas Sensor Using an Evaporated Li₃PO₄ Film and Its Sensing Characteristics”（C.Jeong,H.G.Song.Metals and Materials International.No.1.2009）采用Li₃PO₄作为固体电解质，制备的CO₂气体传感器获得了良好的性能，同时简化了材料的制备工艺，并尝试将加热器进行集成，但采用基底背面集成的方式，散失较多热量，功耗大，影响传感器的响应特性。文献“Application of Nasicon and YSZ for the construction of CO₂ and SOx potentiometric gas sensors”（P.Pasierb,Materials Science-Poland,Vol.24,No.1,2006）分别采用NASICON、YSZ固体电解质对CO₂、SOx气体传感器特性进行了研究，取得了良好的结果，但其制备方法及传感器响应特性仍有待改进。在CO₂、SOx等传感器监测方面，仍是分立测试，在其集成方面仍未见报道，在CO₂、SOx等气体传感器共参比电极有机集成方面更是未曾有人提出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服背景技术所存在的CO₂或SOx（SO₂/SO₃）气体传感器功耗大、响应缓慢等缺陷，并提供一种CO₂-SOx集成气体传感器及基于厚膜与薄膜MEMS（微机电系统）技术相结合的制备方法，使传感器具有厚膜加热、测温一体化的温控装置，在温控装置上，通过微细加工制备薄膜型固体电解质CO₂-SOx气敏元件，通过传感器内集成的梯度温控装置，使固体电解质薄膜及CO₂-SOx反应电极工作在各自的最佳温度内。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种共参比电极温控式CO₂-SOx集成气体传感器，其特征在于，自下而上分别为氧化铝基底，Pt或RuO₂制成的加热元件与测温元件，绝缘层，固体电解质薄膜层，至少三个Au齿状薄膜电极，其中一侧Au齿状薄膜电极上设置CO₂反应电极；另一侧Au齿状薄膜电极上设置SOx反应电极，中间的Au齿状薄膜电极上设置共参比电极。

上述方案中，所述的加热元件与测温元件为15微米的厚膜，各自有两个独立的引线盘。

所述绝缘层为二十微米的厚膜，覆盖所述加热元件与测温元件表面。

所述固体电解质薄膜层为1微米厚的长方形Li₃PO₄薄膜，覆盖所述的绝缘层。